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【5月号連載】技術シリーズ3 機能性食品素材開発におけるディスク型遠心分離機の活用

――ここでは雑誌に掲載した内容の一部を紹介いたします。

技術シリーズ3 分離・精製による素材開発・製品改良
機能性食品素材開発におけるディスク型遠心分離機の活用
アルファ・ラバル(株)分離技術試験室 室長 青木 裕

はじめに
「機能性素材市場動向調査」(平成28年3月)によると、あらゆる産業の機能性素材から8つの観点で有望市場を抽出したところ、6点以上を獲得した5市場の中で唯一7点を獲得したのが「機能性食品素材」で(「市場規模」があれば満点だった)、そのイノベーションの余地として「抽出や濃縮技術の進化」、また、市場成長には「天然素材を活用した製品の需要の拡大」が挙げられている。高付加価値の機能性食品を開発するには、天然素材を、その機能性を損なうことなく、抽出、濃縮、分離する技術が求められることは自明で、10μm以下の微粒子や比重差2%以上の液-液をろ過助剤や凝集剤を用いず、高遠心力という物理力だけを利用して分離する遠心沈降分離機が有力候補と言える。

本稿では汎用性が高く、機種が豊富なディスク型遠心分離機に絞って、その技術の概要、機能性食品素材に求められる機能、活用事例、開発案件の分離試験について記述する。

1.ディスク型遠心分離機とは
重力の本質は不明だが、それが液体から油を浮上させたり、固形分を沈降させたりすることはわかっていた。図1(※雑誌に掲載、本記事では割愛)の直方体中の懸濁液をQ(m3/H)という連続処理量で固−液分離することを考えてみる。これは自然沈降なので、その流れは層流であり、不規則な変動を含まないため、懸濁液中の大中小の粒子は図1のように大きさに従って沈降していく。

すなわち、直方体の全量が置き換わった時、粒子中の最小粒子が下まで沈降すれば、それが最適分離条件となるから、全量が置き換わる時間=最小粒子が沈降する時間となり、最小粒子の重力沈降速度をVgとすると、L×W×H/Q=H/Vgが成り立つ。この式から高さHが消去され、Q=L×W×Vg(式1)となり、連続処理量は層の面積と最小粒子の重力沈降速度の積という関係が成立し、図1のように板を流れと重力が反発し合わないように斜めに挿入すると、面積が増えるので連続処理量を枚数に比例して増大できることがわかる。

ディスク型遠心分離機は図1のように重力分離槽の形を変形し、回転させると、0.5mm間隔で200枚の陣笠状のディスクが積み重なる形で完成する。式1でVgはある最小粒子の重力沈降速度だから、ストークス則からわかる通り、ここには重力加速度が乗算されているが、これを遠心加速度に変えることで連続処理量は遠心加速度/重力加速度倍大きくできることがわかる。この倍数は遠心力と言われる数値だが、無名数なので、ディスク型遠心分離機のディスク部分の面積にディスク部分の遠心力(3,000~5,000g)をかけたものは面積の単位となり、これをディスク型遠心分離機の遠心沈降面積(以下Σ)と呼んでおり、ある製品で分離したい粒子の重力沈降速度がわかれば、あるΣ値を持ったディスク型遠心分離機の連続処理量が計算できる。

―以下、続きは月刊『食品と開発』5月号にてご覧ください。
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